c - 为什么循环裂变在这种情况下有意义？

Question

没有裂变的代码是这样的:

int check(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[hash(keys[i])]
    }
    return ret;
}

裂变:

int check(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        tmp[i] = map[hash(keys[i])];
    }
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += tmp[i];
    }
    return ret;
}

注意事项:

• 瓶颈是随机访问内存的map[hash(keys[i])]。

• 通常是 if(tmp[i]) res[ret++] = i; 来避免 if，我使用的是 ret += tmp[i ].

• map[..] 始终为 0 或 1

裂变版本通常要快得多，我试图解释原因。我最好的猜测是 ret += map[..] 仍然会引入一些依赖关系，从而阻止推测执行。

我想听听是否有人有更好的解释。

Answer 1

从我的测试中，我得到融合和分离循环之间大约 2 倍的速度差异。无论我如何调整循环，这种速度差异都非常一致。

Fused: 1.096258 seconds
Split: 0.562272 seconds

(完整的测试代码见底部。)

---

虽然我不是 100% 确定，但我怀疑这是由于两件事的结合:

1. memory disambigutation 的加载存储缓冲区饱和由于 map[gethash(keys[i])] 的缓存未命中。
2. 在融合循环版本中添加了一个依赖项。

很明显 map[gethash(keys[i])] 几乎每次都会导致缓存未命中。事实上，可能足以使整个加载存储缓冲区饱和。

现在让我们看看添加的依赖项。问题是 ret 变量:

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}

ret 变量是 商店的地址解析所需要的 res[ret] = i; .

• 在融合循环中，ret 来自一个确定的缓存未命中。
• 在拆分循环中，ret 即将到来 tmp[i] - 这要快得多。

这种融合循环情况的地址解析延迟可能会导致 res[ret] = i 与 map[gethash(keys[i ])].

由于加载-存储缓冲区具有固定大小，但其中的垃圾数量增加了一倍:
您只能将缓存未命中的重叠率降低到以前的一半。 因此2 倍减速。

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假设如果我们将融合循环更改为:

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[i] = i;    //  Change "res" to "i"
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}

这将打破地址解析依赖性。

^{(注意已经不一样了，只是为了演示性能差异。)}

然后我们得到类似的时间:

Fused: 0.487477 seconds
Split: 0.574585 seconds

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这是完整的测试代码:

#define SIZE 67108864

unsigned gethash(int key){
    return key & (SIZE - 1);
}

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}
int check_split(int * res, char * map, int n, int * keys, int *tmp){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        tmp[i] = map[gethash(keys[i])];
    }
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += tmp[i];
    }
    return ret;
}


int main()
{
    char *map = (char*)calloc(SIZE,sizeof(char));
    int *keys =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    int *res  =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    int *tmp  =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    if (map == NULL || keys == NULL || res == NULL || tmp == NULL){
        printf("Memory allocation failed.\n");
        system("pause");
        return 1;
    }

    //  Generate Random Data
    for (int i = 0; i < SIZE; i++){
        keys[i] = (rand() & 0xff) | ((rand() & 0xff) << 16);
    }

    printf("Start...\n");

    double start = omp_get_wtime();
    int ret;

    ret = check_fused(res,map,SIZE,keys);
//    ret = check_split(res,map,SIZE,keys,tmp);

    double end = omp_get_wtime();

    printf("ret = %d",ret);
    printf("\n\nseconds = %f\n",end - start);

    system("pause");
}